PEX基因在小麦赤霉菌生长发育与致病过程中的作用机制研究

PEX genes which control the biosynthesis and proliferation of peroxisome, exist widely in eukaryotes and closely related to a variety of life activities of plant pathogenic fungi, such as pathogenicity and secondary metabolism. The functional mechanism of PEX genes in Fusarium graminearum from wheat remains unclear. This project proposes to (i) identify putative PEX orthologs (PEX1-PEX11) in the genome of Fusarium graminearum by in silico analysis and construct gene deletion mutants and complemented strains; (ii) investigate the role of PEX genes in peroxisomal metabolism by subcellular localization of fluorescent fusion protein; (iii) based on gene expression differences and a variety of phenotype tests such as pathogenicity, mycotoxin accumulation, sexual reproduction, morphology of mycelial and conidiation, sensitivity of osmotic stresses and fungicide, fatty acid metabolism and cell wall intengrity, analyze the effect of PEX genes deletion on various life activities of Fusarium graminearum and elucidate the mechanism of PEX genes in the process of growth and development, mycotoxin biosynthesis and pathogenicity. This study can provide molecular targets for developing new fungicide and also provide scientific basis for raising novel comprehensive prevention and control strategy and reducing mycotoxin contamination.

PEX基因控制着过氧化酶体的形成与增殖，广泛存在于真核细胞中，并且与植物病原真菌的致病力、次级代谢等多种生命活动密切相关。在小麦赤霉病菌中PEX基因作用机制尚不明确。本项目拟(1)通过生物信息学分析确定赤霉菌基因组中PEX基因 (PEX1-PEX11) 同源序列，构建基因缺失突变体及回复突变体；(2)采用荧光融合蛋白亚细胞定位解析各PEX基因在过氧化物酶体代谢中的作用；(3)通过致病力、产毒能力、有性生殖、菌丝和孢子形态、对渗透压与杀菌剂敏感型、脂肪酸代谢、细胞壁完整性等一系列详细的表型和基因表达差异鉴定，分析各PEX基因缺失对赤霉菌各项生命代谢活动的影响，阐明其在生长发育、致病及毒素合成过程中的作用机制。本研究可以为开发新的抑制剂提供分子靶标，也为提出新的赤霉病控制策略、减少毒素污染提供科学依据。

过氧化物酶体 (peroxisome) 是一类普遍存在于各种真核生物细胞中的单层膜细胞器,编码其合成相关蛋白 (peroxin) 的基因总称PEX基因。研究表明过氧化物酶体形成缺陷可导致严重的人类疾病，并且PEX基因在真菌生理代谢中也起着重要作用。然而，目前对于PEX基因的研究主要集中于模式生物酵母，其对于禾谷镰刀菌生长发育、致病力及真菌毒素合成等方面的调控作用尚不明确。. 本研究基于反向遗传学策略，选取经比对分析后预测的在过氧化物酶体代谢途径中起着重要作用的9个PEX基因，构建了基因敲除与互补载体，通过原生质体转化的方法获得基因缺失和互补菌株，并通过PCR扩增与Southern杂交进行了筛选验证。. 致病性测定发现，Ring复合体组分FgPex2、膜蛋白定位FgPex3、对接复合体组分FgPex14，丝状真菌特有FgPex 14/17以及过氧化物酶体增殖因子同源基因FgPex11及FgPex11c基因缺失均造成禾谷镰刀菌对小麦的致病力显著下降。突变体对脂肪酸利用能力显著降低。生长速率、产孢能力和H2O2敏感性也出现不同程度的下降。突变体PTS转运途径被阻断。缺失突变体自身积累大量活性氧物质，导致生存能力和有性生殖能力大幅下降甚至完全丧失。转录组学分析显示PEX基因缺失导致了300 – 1300个基因差异表达。这些结果都说明PEX基因参与调控小麦赤霉菌大量的生理代谢过程，是影响其生长发育与致病的关键基因。. 本研究还首次发现丝状真菌特异的FgPex14/17的N端序列也具有重要功能，它和和C端序列分别控制PTS2和PTS1信号途径。说明FgPex14/17基因可能不单只是Pex17基因在丝状真菌中的同源蛋白，在一定程度可能还行使Pex14基因的功能，这为明确丝状真菌中Pex14/17基因的功能，完善Pex基因功能网络提供了理论依据..禾谷镰刀菌 (Fusarium graminearum sensu lato) 引起的小麦赤霉病 (Fusarium head blight, FHB) 是一种世界范围内的重要病害，近年来在我国发生尤为严重。除了引起产量损失外，镰刀菌还能产生多种毒素，造成食品安全上的巨大隐患。本研究以过氧化物酶体代谢途径中的重要基因为切入点，更深一步解析了其在禾谷镰刀菌致病和产毒过程中的作用机制。